5269. Нематоморфизм - визитная карточка жизни
Продолжение. Начало в 5268: https://albercul.livejournal.com/1373267.html
5. Универсальный биологический конструктор
Слово «материя» в переводе с латинского буквально означает вещь, вещество (то есть нечто такое, что можно ощутить, потрогать, измерить). В философском смысле - это объективная реальность, отображаемая нашим сознанием. В естественнонаучном понимании - вещественная основа, которая образует физические тела, и которая имеет, стало быть, определенное строение. Но есть и другой, техно-текстильный оттенок этого слова, когда оно подразумевает какую-то связанную из нитей ткань. Это может быть обыкновенная хлопковая материя, но может быть и шёлковая, льняная, шерстяная, синтетическая…
Так вот, живая материя, помимо того, что о ней уже много сказано в научных и философских категориях и терминах, есть, прежде всего, материя именно в этом, текстильном смысле. Дело в том, что всякая биологическая плоть сконструирована, как и текстильная ткань, из нитей (главным образом белковых и целлюлозных) и, следовательно, она имеет матерчатую структуру. Живая материя в физико-механическом отношении есть по существу не что иное, как биологический текстиль.
В поисках специфических (или, как еще говорят, атрибутивных) признаков жизни, которые можно было бы противопоставить неживой природе, остался совершенно без внимания реальный, в принципе весьма простой и к тому же вполне доступный для наблюдения факт. От механического удара твердый и очень крепкий камень дробится на части, а какая-нибудь мягкая и с виду податливая биологическая плоть в этой ситуации, напротив, сохраняет свою целостность, лишь по месту приложения силы могут возникать (как это хорошо знакомо каждому из нас с раннего детства) некоторые локальные дефекты. Налицо диаметрально противоположное отношение к прочности как способности сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок (ими обычно являются растяжение, сжатие, изгиб).
Все биологические тела от мала до велика построены, в отличие от широко распространенных в природе кристаллических минералов, из линейно (одномерно) организованных элементарных единиц материи, длина которых многократно превышает поперечные размеры, а именно - из полимерных нитей (например, коллагеновых или целлюлозных). Будучи достаточно длинной, тонкой, эластичной, полимерная нить способна, изгибаясь, повторять и описывать любые геометрические формы и очертания. Она чрезвычайно предрасположена к прочному сцеплению и переплетению с себе подобными, что открывает путь к безграничному пространственному формообразованию.
В общем, из нити можно сделать (то есть связать) всё. И природа не преминула воспользоваться для построения жизни этим элементарно простым и в то же время всемогущим конструктором. Она не прошла мимо такой на редкость счастливой возможности. Нематоморфизм и текстуральность приобрели в построении биологических систем, если говорить языком физики, не только ближний, но и дальний порядок.
Подлинное царство (микрокосм) нитей открывает, прежде всего, содержимое всякой живой клетки, которое ассоциируется нами (вслед за Ж. Бюффоном и В.И. Вернадским) с так называемым живым веществом. Внутриклеточные нити (система цтоскелета, микрофибриллы и микрофиламенты, тончайшая кисея гиалоплазмы) причудливо преплетаются между собой, соединяются и разъединяются в определенном, сложно организованном порядке, образуя в совокупности многоликую и многомерную, непостижимо запутанную сеть.
Построенные в таком ключе элементарные ячейки жизни соединяются между собой в «государство клеток» (как сказал бы Р. Вирхов) нитями внеклеточного матрикса, образуя ткани. А те в свою очередь интегрируются аналогичным образом в органы и системы органов, так что в итоге получается связанный из нитей целый организм.
Текстуральный принцип структурной организации живого имеет глубокий физико-механический смысл. Выполненная из нитей конструкция внутренне противоречива, в ней органически сочетаются противоположные начала - дискретность (отдельных нитей) и непрерывность (системы в целом). При ударе по упомянутому минеральному кристаллическому монолиту механическое напряжение концентрируется в месте образования первичной трещины, которая мгновенно разрастаясь и ветвясь, приводит его к разрушению.
В отличие от этого, переплетенные между собой полимерные нити, интегрирующие биологическую плоть в единое целое, способствуют рассасыванию напряжения (возникающего по месту приложения силы) и перераспределению нагрузки на соседние элементы. Так что дефект, приведший к разрыву отдельных нитей, не приобретает угрожающих размеров. Он тотчас угасает и локализуется по месту первичного образования. Каждая нить (и даже ее отдельный, зажатый между двумя точками участок) будучи частью единой связной системы, в то же время сохраняет свою физическую индивидуальность и, следовательно, ее разрыв отнюдь не влечет за собой разрушения всей конструкции. Сплетенный из нитей трос гораздо прочнее эквивалентного ему по массе монолитного стержня (к тому же он обладает высокой и легко обратимой гибкостью в силу некоторого скольжения друг относительно друга составляющих его элементов).
Вот почему, соударяясь с твердыми телами и друг с другом, падая и ушибаясь, вступая в физическое единоборство, преодолевая сопротивление воздушных и водных потоков, меняя в зависимости от обстоятельств внешние очертания, живые существа (исторически поначалу, представленные единственной клеткой) не распадаются на части. В противном случае жизнь уже по этой только причине (сугубо механического, структурного свойства) была бы в земных условиях абсолютно невозможна. И, следовательно, мы имеем все основания отнести нематоморфизм и текстуральность, эти фундаментальные принципы биологической архитектоники, к числу атрибутивных в понимании сущности жизни.
Их происхождение вполне объяснимо. Будучи порождением линейного порядка, белково-нуклеиновая функциональная система неуклонно поддерживает и бесконечно воспроизводит его в себе. В процессе репликации, транскрипции и трансляции на линейно организованной матричной основе нить порождает и множит нить. Сходящие с матриц элементарные фибриллы собираются в нити более высокого ранга (аналогично тому, как в текстильном производстве из коротких и сравнительно тонких волокон формируется пряжа). На их основе в конечном итоге и создаются (кристаллизуются) различного размера белковые структурные нити.
Наряду с ними вторично, но уже на ранних этапах существования биосферы приобрёл грандиозное по масштабам своего выражения биосинтез (опять-таки линейных) полисахаридов, которые получили главным образом строительное назначение. У растений - это целлюлоза (в общей массе органических соединений биосферы она заняла с течением времени первое место), а в мире гетеротрофных организмов (членистоногие, грибы и др.) - целлюлозоподобный хитин).
Жизнь - это бесконечный и непрерывный процесс прядения и вязания, короче - нематогенез. Всякая живая система, даже самая малая, стала по сути дела грандиозной текстильной фабрикой, а её продукция - единственным и универсальным строительным материалом самой живой субстанции. И только потому мы не замечаем визуально этого непреложного и бесспорного факта в своей обыденной жизни и не придаем ему значения, что биологические нити либо слишком тонки, либо к тому же еще и плотно упакованы.
Если бы удалось разобрать до конца какое-нибудь существо (или хотя бы его часть) на структурные составляющие (подобно тому, как мы это делаем порой, распуская связанный из пряжи свитер), то от него, естественно, не осталось бы ничего, кроме различного рода нитей. При внимательном анализе разобранного материала мы бы увидели, во-первых, что нити эти главным образом двух типов - белковые и углеводные. Во-вторых, нити различаются по толщине. В-третьих, они устроены иерархически, по матрёшечному (фрактальному) принципу: нити большего диаметра последовательно расщепляются продольно на нити меньшего диаметра вплоть до линейных макромолекул, с которых начиналось их формирование. Наконец, в-четвёртых, все мономеры, образующие нити, только левые (в случае белковых нитей) и только правые (в случае углеводных).
Проще всего осуществить разборку на составные линейные элементы, конечно, вирусов, субмикроскопическое тело которых состоит всего лишь из двух видов нитей. Находящаяся в центре полинуклеотидная нить (ДНК или РНК, одноцепочечная или двухцепочечная) заключена в полипептидную оболочку-капсид. И, следовательно, вся задача по разборке сводится к тому, чтобы распустить на составляющие нити именно этот капсид, последовательно извлекая белковые субъединицы и разматывая их.
Что же касается субвирусных частиц, так называемых вироидов, то с ними и вовсе не требуется никакой разборки, поскольку они лишены капсида и представлены только однонитиевой РНК (возможно, в некоторых случаях и ДНК), которая способна автономно реплицироваться в инфицированных хозяйских клетках. Как видим, при всей своей морфологической простоте и функциональной специфике, вирусы несут в себе все признаки биологической архитектоники, присущие одноклеточным и многоклеточным организмам, то есть живой материи вообще.
Объясняя, как устроен организм на уровне элементарной ячейки жизни, знаменитая клеточная теория (сформулированная ещё в первой половине девятнадцатого столетия), не дает представления о структурной организации собственно живого вещества, живой материи как таковой, и ныне уже не может считаться достаточной в контексте теории жизни. В основе жизни, включая и тот ее случай, когда целый организм представлен всего лишь одной клеткой, лежат иные принципы - более глубокого, архитектонического (греч. tektonike - строительное искусство, archi - старший, главный, первоначальный) порядка. Это нематоморфизм и порождённая им текстуральность - конструирование (вязание) живой материи из нитей. Этим фундаментальным принципам подвластны даже такие мельчайшие, субмикроскопические существа, как вирусы, которые, будучи живыми организмами, никак не вписываются в классическую клеточную теорию в силу своей морфо-функциональной специфики
6. Биотекстильные технологии
Простой и очень эффективный принцип конструирования из нитей, изначально возникнувший в живой природе, получил далеко идущее (осознанное и бессознательное) отражение в человеческой деятельности.
Текстильное производство, включая все его исходные, промежуточные и конечные продукты, есть не что иное, как следование изначально существующим в живой природе «техническим решениям». И нет такого типа рукотворной текстильной конструкции, который нельзя найти в биосистемах, будь то материалы тканые и трикотажные (геометрически регулярное переплетение), нетканые и войлочные (нерегулярное переплетение) или композитные (нити погружены в какую-либо матричную основу). К примеру, наружный покров кальмара состоит из множества слоев ажурной ткани, плотно прилегающих друг к другу. Каждый слой выполнен из нитей, которые регулярно пересекаются между собой, как основа и уток, если придерживаться текстильной терминологии.
Но явное предпочтение живая природа отдает все-таки нетканым конструкциям (соединительные ткани и кожа (млекопитающих) и композитам (хрящевая и костная ткани животных, а также клеточные стенки растений, в которых армирующий компонент - микрофибриллы целлюлозы, погруженные в матрикс из гемицеллюлоз, лигнина и пектиновых веществ.
Биотекстильная технология начинается с линейной полимеризации низкомолекулярных соединений (аминокислот, моноуглеводов). Из мономеров образуются первичные (элементарные) нити, из них - протофибриллы, затем микрофибриллы, фибриллы и, наконец, готовые нити необходимой длины и толщины. Все эти процессы имеют место и в промышленном производстве волокон на основе синтетических полимеров (полиамиды, полиэфиры, полипропилен, полиакрилонитрил и другие).
Знаменитый русский биолог Н.В.Тимофеев-Ресовский справедливо называл живую клетку «фабрикой макромолекул». На основании выше изложенных фактов, мы теперь вправе назвать клетку еще и текстильной фабрикой.
Конечно, есть и различия между био- и технотекстилем. В текстильном деле получение и переработка нитей, как правило, отделены от построения из них тех или иных конструкций. В живых системах эти два процесса неразрывно связаны: биотекстильные конструкции образуются главным образом по месту и по мере образования нитей. Кроме того, в промышленном производстве нужную форму нити получают физическими, точнее, механическими методами. Такими как кручение, вытяжка, текстурирование, штапелирование, прядение. Для живой природы эти методы не характерны. Зато формование волокон путем продавливания полимерной массы через тонкие отверстия природа изобрела первой. Именно таким образом пауки продуцируют паутину.
Главная «производственная тайна» природного текстиля - технологические операции на молекулярном уровне. Живая клетка использует для созидания волокон тончайшие биохимические процессы: матричное воспроизведение линейных структур - репликацию ДНК, синтез РНК и белков, образование двумерных и трехмерных конструкций из одномерных нитей.
Биологическое «микровязание» - процесс поистине удивительный. Человеку, чтобы связать носок или шапочку, необходима, во-первых, пряжа, во-вторых, план изделия (в памяти, на странице женского журнала или на диске компьютера, управляющего вязальной машиной). А у белков сведения о том, какую форму должна принять нить, заключены в самой нити, точнее, в последовательности аминокислотных остатков. Одна нить сама собой сворачивается в петли и образует округлое тельце - активный фермент или транспортный белок, а другая, тоже самопроизвольно, завивается в длинную аккуратную спираль.
Как из молекул делается волокно? Самое простое решение - собрать линейные молекулы в пучок, так же как из коротких льняных или шерстяных волоконец прядется нить. Например, кератины, белки шерсти и перьев - длинные спиралевидные молекулы, соединенные между собой поперечными ковалентными связями. Чем больше этих связей, тем жестче получается волокно. Кератины шелка и паутины не спирализованы, а вытянуты, расположены не пучком, а рядом, образуя плоский «лист», и соединены нековалентными поперечными связями. Почти так же, как кератин шерсти, «спряден» уже упомянутый белок соединительной ткани - коллаген (хотя коллагеновые спирали не совсем такие, как кератиновые, и волокно скручивается по-другому). А целлюлоза, основное структурное вещество растений, - это длинные молекулы полисахарида (полимера, состоящего из остатков глюкозы), расположенные параллельно и связанные водородными связями.
Природа использует и альтернативный вариант молекулярного конструирования волокон, который может показаться фантастичным любому технологу. Суть в том, что нити актина и микротрубочки состоят не из фибриллярных (скрученных параллельных волокон), а из глобулярных белков - шариков, соединенных в цепочку нековалентными связями. Вот «технология», не имеющая аналогов в текстильной промышленности! Она позволяет легко и быстро изменять длину нити, разбирая ее на мономеры и собирая снова. За счет этого происходят многие клеточные и внутриклеточные движения.
Есть в клетке и другие разновидности нитей и волокон - перечислятьих все слишком долго. Молекулярный биолог Кристиан Рене Де Дюв в своей книге «Путешествие в мир живой клетки»«образно сравнил содержимое клетки с переплетенными лианами тропическими джунглями. Которые в одних местах являют непроходимые заросли, тогда как в других - тонкую филигранную вязь. Причем весь этот удивительный микрокосм находится в постоянном (по виду абсолютно хаотическом) движении. И как тогда можно воображаемому путешественнику не заблудиться в нем и не запутаться!
Заключение
В понимании природы и сущности жизни научная мысль традиционно сосредоточилась на ее функциональных особенностях. Значение материальной структуры жизни долгое время оставалась при этом недооценено.
Но жизнь, в самом принципиальном и фундаментальном отношении, есть не только процесс (даже если иметь в виду всю ее непостижимо сложные и динамичные внутренние процессы на молекулярно-энергетическом уровне), но еще (даже, прежде всего) структура. Ибо структура в созидании жизни исторически шла, как мы видели, впереди. Структура эта - нить.
Именно линейный (одномерный) нематоморфизм, эволюционно возникший на фоне господствующего в природе трехмерного кристаллизма и противопоставленный ему (как не имеющему перспективы в смысле эволюции в строну жизни), открыл дорогу к жизни и стал в дальнейшем ее неразлучным спутником и непреложным атрибутом. Нематоморфизм явился первопричиной и первоосновой жизни, а также формой и способом ее существования. В этом противопоставлении одномерности к трехмерности, можно сказать, и состоял главный «замысел» эволюции в сторону жизни. Все остальное, включая ее многосложную машинерию, - детали.
Нематоморфизм позволил решить (прямо или опосредованно) все принципиальные и жизненно необходимые задачи жизни, включая:
1. Запись, хранение и воспроизведение генетической информации.
2. Создание принципиально новой (глобулярно-белковой) химии жизни.
3. Разрушение оптической симметрии на молекулярном уровне.
4. Созидание внутренней среды жизни.
5. Построение универсальной архитектоники жизни.
В целом все это вместе взятое складывается в линейную доктрину жизни.
Заодно следует отметить, что на определенных этапах эволюции биосферы нематоморфизм выходит на экологический уровень и становится фактором межвидовых отношений, включая конкуренцию, хищничество, паразитизм и симбиоз. А с проникновением в поверхностный слой континентальной коры выветривания и переплетением его биогенными нитями, становится еще и средообразующим фактором поверхностно-планетарного масштаба.
Экологические аспекты нематоморфизма не только очень значимы для биосферы, но и не лишены практического смысла. Однако они выходят за рамки избранной темы и потому заслуживают специального рассмотрения.
И последнее. Когда говорят о предсказательной силе теории (как ее способности не только правдоподобно объяснять наблюдаемые явления, но и формулировать положения относительно ещё неисследованных явлений без обращения к эмпирическим свидетельствам), чаще всего подразумевают теоретическую физику. Но в данном случае такой способностью обладает и линейная доктрина жизни. Ее предсказание можно сформулировать следующим образом: внеземная жизнь (если только она существует где-либо в нашей Вселенной) информационно, морфологически и функционально организована на принципах линейного нематоморфизма и связанной с ним стереохимической асимметрии.